双管气流场的三维流动分析

双管气流场的三维流动分析

随着压迫度的增加，mpc排气系统具有定压系统和脉冲系统的优点，结构简单，性能好，在机枪压迫系统中得到了广泛应用。在mpc排气系统中，实际流动是三维的，尤其是在三个接口处的流动更为复杂和典型。因此，通过计算模型c的三个分支的三维流动，我们可以准确了解流动的状态和流场的分布，为提高能量传递效率提供研究方法和理论依据，提高模型的结构复杂。到目前为止，很少有研究这方面的工作。在之前的研究中，假设支架和分离器是矩形截面，并且支架的收缩功能没有考虑在内。模拟结果与三组分mpc模型的实际流动不同。为了模拟和研究三组分mpc模型的实际流动，作者对该层的三维流动进行了计算。1排气支管和排气总管网格建立的背景计算是针对图1所示柴油机MPC增压系统试验排气管进行的.计算模型和数值方法见文献.为生成较高质量的网格,排气支管与排气总管分别生成网格.计算分两种情况进行,一种是只有排气支管进气;另一种是排气支管和总管同时进气.1.1mpc3支管流及总管内的速度分布计算时支管入口截面速度均匀分布,相应的入口边界条件为Vx=u=0m/s‚Vy=v=0m/s‚Vz=w=vz=−35m/s.Vx=u=0m/s‚Vy=v=0m/s‚Vz=w=vz=-35m/s.壁面处,由无滑移条件有:u=v=w=0‚u=v=w=0‚采用固定温度确定温度边界.对近壁面网格点采用壁面函数法处理.选用相对压力参加实际计算.图2～11为流场模拟计算结果.图2为MPC模件对称截面Ⅰ速度矢量图.图3为过总管轴线截面Ⅱ速度矢量图,图4为总管横截面Ⅲ二次流流场图.从图2可以看出,气流从支管进入总管后,由于气流折转,在支管下游总管壁面处产生回流,将引起气体能量大量损失,而气流撞击总管壁面后在封闭端产生的回流区较小.如图4所示,气流撞击总管壁后,主要沿横截面圆周方向产生回流.在总管下侧(图2)和两侧边壁(图3),气体流速较大(约45和31m/s).因此,在支管下游总管壁面处产生的回流和沿圆周的2次流是引起MPC三分支管能量损失的主要因素.从图中还可发现,支管流动对总管的影响,一直延伸到总管下游.图5为模件对称截面Ⅰ压力等值线,从图中可以看出,在只有支管进气情况下,模件中有2个高压区,总管和支管中各有一个,这是由于支管入流形成的回流引起的.在总管封闭端直径1(垂直于纸面,图1)处,不受支管流动的直接冲击,该处流动并不剧烈.从图中可见,虽然在封闭端存在回流,流体运动很复杂,但流体流速很小,回流损失的能量并不大.由图6和7,直径2(总管和支管接口处)的速度分布图(由于y方向速度远小于另两方向速度,图中没有画出,以下相同)可以发现,因为气体刚流出支管,总管中部u、w速度几乎是均匀分布.另外,由于支管出口尺寸小于总管直径,对于粘性流体,支管出流带动周围气体在总管外侧形成回流,这一点从图中(2侧速度方向改变)可清楚看到,这时由支管入流带起的回流还比较小.图8和9显示了直径4的速度分布情况.随着气体的流动,总管垂直于主流截面上形成2个对称的2次流区(见图4),这是由于气流由支管喷入总管撞击管壁所造成的.总管中,2个2次流在总管中部交汇,由于摩擦,动能损失加大,x方向的主流速度在总管中心并不是最大(约18m/s);相反,在2个2次流中,大约D/8和7D/8(D为总管直径)附近,主流速度最大(约34m/s).总管中主流速度显两侧大中间小的凹形分布.总管中的气体,在管道左右两侧分别显螺旋状向前流动.在总管出口前方直径5,由于粘性的作用,气体流动逐步趋于均匀,这可以通过图10和11看到.在非主流方向,即速度v、w方向,图中速度值比直径4的小,说明非主流方向流动正逐步消失.而在主流方向,速度变化逐步减少(对比图8和10),说明主流速度正变得越来越均匀.比较直径4和4相应速度分布图中的数值,可见:管中2次流仍存在,只不过强度有所减弱.由于模件长度有限,总管出口2次流仍存在,管道中心主流速度(约18m/s)仍小于2次流中心速度(约30m/s),这点从图3可清楚看到.综合比较以上各点速度分布,可以发现由于MPC模件沿纵向对称,在3个方向速度中,y方向的速度量级最小.支管封闭端的速度值与其他各点相比,小得多,这说明支管封闭端的流动并不剧烈,回流并不大.在总管和支管接口处下游,总管垂直于主流方向各截面上均存在很强的2次流,造成气体能量的大量损失,形成2次流的原因是支管入流在总管中的转向及支管入口长度小于总管直径造成的2侧气体回流.由于只有支管进气,支管进气条件对MPC系统的流场起主要作用.1.2总管和支管都通气时的速度场模拟计算的另一种情况是总管和支管同时进气.相应边界条件为:支管入口:Vx=u=0m/s‚Vy=v=0m/s‚Vz=w=−38m.Vx=u=0m/s‚Vy=v=0m/s‚Vz=w=-38m.总管入口:Vx=u=35m/s‚Vy=v=0m/s‚Vz=w=−38m.Vx=u=35m/s‚Vy=v=0m/s‚Vz=w=-38m.壁面边界处理同上.计算结果见图12～15.图12为总管和支管都进气时的速度场,比较图2和12,可以发现,由于存在总管进气,原总管封闭端的回流已消失,而同时进气支管下游附近的回流也近乎消失.管内速度分布发生显著变化,中、高速区域大大增加.支管气流分布比较均匀,总管内速度分布与只有支管进气时相比明显变得均匀.总管内最大速度增大.与只有支管进气情况相比,支管入流的影响明显减弱,但这是总管和支管来流速度相近且较小的情况下是如此,若支管入口速度很大时,仍将会有较大影响.比较图5和15,与前一种情况相比,总管和支管都进气时,总管中高压区和支管中的连成了一片.直径1处,由于处在支管入流上游,总管来流起主要作用,x方向的主流速度基本与总管入口速度相同(图12).直径2处,流动和只有支管入流的情况相差不大.由于总管入流的作用,主流方向回流消失,z方向受支管入流影响,仍有很小的回流.直径4和直径5均在支管入口下游,由于总管入流的作用,主流速度要比前一种情况大,分布较均匀,但变化规律不变.总管中气体流动仍分左右2部分,各显螺旋线状流动(图13和14).通过上面的计算和分析,可以看到,MPC系统中的流动非常复杂,支管入流的转向和冲击所引起的回流和2次流是造成MPC系统能量损失的主要原因.因此,合理的支管入流是减少MPC系统能量损失的关键.2结果对比与讨论上面计算分析了MPC模件分支结构三维流动特点.为了验证计算所得流场的三维特性,将计算结果与文献的测量结果进行了对比.实验进行的2种流动状态为:状态1入口条件:vx=0,vz=-35m/s,即只有支管进气.状态2入口条件:vx=35m/s,vz=-38m/s,即支管、总管同时进气.本文只给出了状态1直径3处测量结果与计算结果的对比.从中可以看到,二者基本吻合.说明本文计算是正确的,结果是可信的.3下游围岩内回流1)在只有支管进气的条件下,支管入流对MPC系统流场分布起主